利用气象因子估算天然河道水温的新公式

文章编号 :100923087 (2006) 0120001204利用气象因子估算天然河道水温的新公式李克锋1 ,郝红升1 ,庄春义2 ,蒲灵1(1 . 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 ,四川 成都 610065 ;2 . 四川省水利水电勘测设计研究院 ,四川 成都 610072)摘 要 :结合某流域水温原型观测资料 ,通过分析水温与气温 、太阳辐射 、湿度和风速之间的相关关系 ,采用最小二乘法建立了水温与气温 、湿度和风速三者之间的多变量函数方程式 ,提出了一种利用气象因子估算天然河道水温 的新公式 。研究成果可用于缺乏水温监测资料河流的水温估算 ,为流域开发的环境影响评价提供科学依据 。 关键词 :水温 ;气温 ;相对湿度 ;风速中图分类号 : TV124文献标识码 :AA Ne w Method f or Predicting Water Temperature of River byUsing Meteorological FactorsL I Ke2f eng1 , HAO Hong2sheng1 , ZHUAN G Chun2yi2 , PU L ing1(1 . State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng. , Sichuan Univ. , Chengdu 610065 ,China ;2 . Water Resources and Hydropower Investigation , Design and Research Inst . of Sichuan Province ,Chengdu 610072 ,China)Abstract :On the basis of the field data of water temperature , a new formula for estimating water temperature of river byusing meteorological factors is put forward by using the method of least squares. The new formula can be used to estimate the water temperature of river where there is no water temperature monitoring data , and can provide the scientific founda2 tion for environmental impact assessment of river basin development .Key words :water temperature ; air temperature ; humidity ; wind speed水温是一个十分重要的水质因素 。一方面水温与其它水质要素有着密切的联系 ,如生化耗氧和复 氧过程都与水温有关 ; 另一方面水温与水生生态有着更加密切的关系 ,如水体中的鱼类及其它水生生 物对水温都非常敏感 。为了预测水温的变化规律 ,许多学者进行过研 究 ,提出了各种计算方法 ,这些方法主要可以归结为 经验公式法和数学模型法 。随着计算机和数值计算方法的发展 ,数学模型法越来越多的应用于工程实际 ,但是该方法要求输入的基本数据较多 ,计算也较 为复杂 。为了解决水温计算的复杂性和普遍性的矛盾 ,过去也有许多学者通过对大量实测水温资料的 统计分析 ,提出了各种经验公式 。其中 ,运用气象因 子估算水温的经验公式较为常见 。然而 ,在以往的 研究中 ,很多经验公式只是单一的考虑了气温对水 温的影响1 ,或者将气温与水温的关系粗略的假定 为线性关系2 - 3 。作者通过对某流域水温原型观测和气象资料的 统计分析 ,综合考虑了气温 、风速和相对湿度对水温 的影响 ,并根据它们之间的相关关系 ,运用非线性函收稿日期 :2005 - 06 - 20基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50279025)作者简介 :李克锋 (1965 - ) ,男 ,教授. 研究方向 :环境水力学.数进行拟合 ,得出了一种利用气温 、风速和相对湿度估算水温的新公式 。研究成果可用于无水温监测资 料河流的水温估算 ,为流域开发的环境影响评价提 供科学依据 。影响天然水温的主要气象因子天然河流中水域表面温度的变化 ,是水气界面 复杂的热力交换过程 。影响水温的主要气象因素 有 :气温 、太阳辐射 、相对湿度 、风速 ,其影响程度各 不相同 。1 . 1 气温太阳短波辐射一部分被空气中的气体 、水蒸气 及尘埃所吸收 ,使空气增温 ;另一部分到达水面被水 体表层所吸收 ,使水体增温 ;太阳辐射热是空气和水 体的同一热源 ,且两者在获得太阳辐射热通量大小上为正相关 ,即空气获得的太阳辐射热量增大 ,水面 吸收太阳辐射热量也随之增大 。空气是直接与水体 相接触的 ,并且以长波辐射和感热交换的方式直接 作用于水体 ,影响水面温度的变化 ,因此 ,气温对水 温的影响一般来说是最大的 ,而太阳辐射对水温的影响可以考虑到气温的影响中 。本次观测期内多次 观测气温与水温的相关关系如图 1 所示 。1图 2 相对湿度与水温的关系图Relationship bet ween humidity and water tempera2tureFig. 2图 3 风速与水温的关系图Relationship bet ween wind speed and water temper2atureFig. 3估算公式的推导在推求水温与气温 、相对湿度和风速的函数关 系式之前 ,先设定它们之间的函数关系式的形式为 :t = f ( T , r ,) 。式中 , t 为水温 , ; T 为气温 , ; r 为相对湿度 ,为 风速 , m/ s 。通过对某流域干流及主要支流原型观测资料和对应的气象站点的气象资料的整理分析 , 发现在其 它条件不变的情况下 , 气温和相对湿度都与水温成 正比例关系 , 而风速与水温成反比例关系 。因此 , 天2图 1 气温与水温的关系图Relationship bet ween a ir temperature and temperatureFig. 1water1 . 2相对湿度和风速呈非线性函数关系 , 通过大量的试算并分析图中数据的变化规律 , 应用最小二乘法拟合出气温单一因 子的计算公式 :根据各影响因素对水温的影响程度不同及其他们与水温的关系 , 将公式 ( 2) 、( 3) 、( 4) 代入公式 ( 1)中 , 最后确定了推求天然水温的函数方程式 :F ( T) = 4. 717e0. 041 T式中 , t 为水温 , ; T 为气温 , 。 在推导相对湿度单一因子的计算公式时 , 采用白振营推导的相对湿度计算公式2 的形式 。通过不同的湿度区实测数据分析和验证 , 建立相对湿度单 一因子的计算公式 :( 1 + r2) 0. 781( 2)t = 4 . 717e0. 041 T(5)( 1 + 0. 3252) 0. 0325以上估算公式中 ,若以每次改变某参数 ( 10 %)的方法 ,作为灵敏度的分析 ,可以发现各参数对其计 算结果影响的大小有以下由大到小的排列顺序 :气温 风速 相对湿度 。这表明气温对水温的影响程度 最大 。因此在使用此公式估算天然河流的水温时必须要求气温的准确度 ,同时注意到在气候突变情况下 气温变化比较快 ,而水温的变化比较慢 ,使用这种情 况下的测量气温会对计算结果造成很大误差 。将公式 (5) 用于估算水文站 A 、B 、C 和 D 的日均 水温 ,计算结果见表 1 ,计算值与实测值的对比见图4 。 ( r) =式中 , r 为相对湿度 。( 1 + r2) 0. 781( 3)对于计算风速的公式 , 同样采用白振营推导的风速计算公式2 的形式 。通过不同的风速实测数据 分析和验证 , 建立风速单一因子的计算公式 :() = ( 1 + 0 . 3252) 0. 0235式中 , 为风速 , m/ s 。(4)表 1 实测值与计算值比较Comparison of measured value with computed valueTa b. 1观测时间气象参数自然水温/ 测站观测方式绝对误差相对误差/ %风速/ (ms - 1)月日气温/ 湿度实测计算10101010101010202122232425261715. 113. 513. 915. 615. 6160. 890. 890. 870. 870. 770. 850 . 81. 70. 71. 70. 31. 70. 70. 314 . 614. 2313. 5313 . 213 . 613 . 513 . 614. 7113. 7712. 5412. 9412. 6613. 6313. 370 . 11- 0 . 46- 0 . 99- 0 . 26- 0 . 940 . 13- 0 . 230 . 723 . 247 . 291 . 956 . 880 . 931 . 71A 站岸边观测101010101010102021222324252618. 917. 715. 415. 314. 516. 514. 80. 730. 710. 740. 740. 810 . 80. 78130. 301. 70014 . 41413 . 81414 . 214 . 213 . 514. 2012. 9812. 4712. 4212. 4813. 6512. 54- 0 . 20- 1 . 02- 1 . 33- 1 . 58- 1 . 72- 0 . 55- 0 . 961 . 417 . 279 . 6711. 2712. 123 . 857 . 09B 站岸边观测101010101010102021222324252618. 516. 215. 214. 51514. 213. 10. 680. 790 . 70 . 70. 680. 790. 691. 30. 72. 710. 71. 71. 311 . 911 . 711 . 811 . 912 . 111 . 61113. 4113. 3411. 6711. 5911. 7012. 1410. 831 . 511 . 64- 0 . 13- 0 . 31- 0 . 400 . 54- 0 . 1712. 7114. 001 . 082 . 573 . 314 . 661 . 57C 站岸边观测10101010101020212223242515. 516. 115. 714. 31312. 80. 540 . 50. 480. 520. 570. 660. 77. 36. 34. 73310 . 410. 2410. 4210. 0910 . 19 . 9810. 8410. 159 . 929 . 739 . 7010. 240 . 44- 0 . 09- 0 . 50- 0 . 36- 0 . 400 . 264 . 210 . 904 . 763 . 594 . 002 . 60D 站岸边观测 10 26 10 . 6 0 . 63 3 10 9 . 16 - 0 . 84 8 . 41 图 4 实测值与计算值对比图Fig. 4 Comparison of measured value with computed value从表 1 和图 4 可以看出 ,计算值与实测值比较存在误差 ,造成误差的原因主要是测量误差 ,同时在 进行实际测量时由于出现气候突变的特殊情况导致气温变化很大 ,而水温的变化过程很慢 ,从而在计算 值与实测值之间出现较大的误差 。估算公式计算值 的相对误差一般都在 10 %以内 。仅个别误差超过10 %的 ,多发生在气温变化幅度较大的情况下 ,并且 绝对误差很小 ,都在允许误差范围内 。因此 ,该估算公式具有较高的精度 ,能够满足工程需要 ,可应用于 缺乏水温监测资料的河流的水温估算 。度 ,因此为了保证计算结果的精度 ,首先应保证气温具有一定的可靠性 。参考文献 :1 Daniel Caissie , Nassir El2J abi , Mysore G Satish. Modelling ofmaximum daily water temperatures in a small stream using airtemperaturesJ . Journal of hydrology ,2001 ,251 :14 - 28.2 Bai Zhenying , A new formula for calculating water temperatureof lake or reservoir J . Hydrology , 1999 ( 3) : 29 - 32. 白振营 . 一个计算湖泊 ( 水库) 自然水温的新公式 J .1999 (3) :29 - 32.水文 ,结论3通过对大量水温观测资料和气象资料的统计分析 ,建立了天然水温与气温 、相对湿度和风速之间的 函数关系式 ,并利用实测资料对估算公式进行了验 证 。验证结果表明 ,该估算公式计算值与实测值基 本吻合 ,可应用于缺乏水温监测资料的河流的水温 估算 。根据气象因子的灵敏度分析 ,影响水温的因 素按影响程度从大到小依次是气温 、风速和相对湿3 Xu Guishui , Wang Dongfang , Chen Tieshuai . The basic explo 2 ration of the water temperature and its forecasting method J . Journal of engineering mathematics ,2002 ,18(1) :17 - 22. 许 桂水 , 王东方 , 陈铁帅 . 水温及其预报方法初探 J . 工 科数学 , 2002 , 18 (1) :17 - 22.(编辑 张 琼)